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不同电子受体浓度对反硝化除磷有何影响(2)

返回列表发布人:tianrenhn   发布时间:2018-10-19  09:25:39

 2 结果与讨论

  2.1 实验条件的选择和确定

  2.1.1 碳源投加量及厌氧反应时间

  如图2所示,当乙酸钠(以COD计)浓度在50~250 mg·L?1变化时,河南污水处理,释磷量随着反应时间的进行不断增加,但在90~20 min之间出现释磷平台,最高PO43?-P浓度分别为16.35、27.88、35.29、40.88和39.24 mg·L?1,随后PO43?-P含量均呈现下降趋势。由于DPAOs吸取外碳源合成PHAs的能力存在极限值,一旦PHAs合成量达到最大值,便不再利用外碳源,导致高COD浓度时出现无效释磷;而厌氧反应时间过长容易导致微生物暴露于饥饿状态,出现吸磷现象。本实验条件下,最佳乙酸钠投加量和厌氧反应时间分别为200 mg·L?1、90 min。

  图2 不同COD浓度下释磷情况

  2.1.2 缺氧反应时间

  由于反硝化除磷主要在缺氧段完成,维持适当的缺氧反应时间对保证良好的脱氮除磷效果至关重要。表2对比了缺氧反应时间60~300 min的反硝化除磷特性(初始NO3?-N、PO43?-P浓度分别为(35 ± 2) mg·L?1、(40 ± 3) mg·L?1),当缺氧反应时间120 min时,河南污水处理,同步脱氮除磷性能最佳(均超过99%),PUR为7.45 mg·(g·h)?1,DNR为5.82 mg·(g·h)?1,平均每吸取1 mg PO43?-P可去除0.78 mg NO3?-N。缺氧反应时间过短,反硝化吸磷不充分;缺氧反应时间过长,微生物因电子供体、电子受体消耗殆尽而处于饥饿状态,生物活性下降,甚至发生2次释磷现象。

  表2 不同缺氧反应时间下的反硝化除磷特性

  综上,确定本研究的实验条件:阶段?,投加200 mg·L?1乙酸钠,厌氧反应时间90 min;阶段Ⅱ,投加电子受体NO3?-N,缺氧反应时间120 min。在此基础上,考察不同NO3?-N浓度(10~50 mg·L?1)条件下的反硝化除磷特性。

  2.2 厌氧释磷及碳源的转化利用

  如图3所示,厌氧初始时刻COD浓度为196.72 mg·L?1,随着反应的进行,COD浓度快速降低,到75~90 min时,COD浓度从32.10 mg·L?1降为30.61 mg·L?1,可利用外碳源基本消耗殆尽。与此同时,PHAs与GLY含量此消彼长,PHAs含量从53.11 mg·g?1增加至133.40 mg·g?1,90 min时几乎全部外碳源都以PHAs的形式储存于细胞体内,同时伴随着少量GLY分解(浓度从156.21 mg·g?1降为117.36 mg·g?1)。整个过程COD利用率为84.57%,比耗碳速率为36.91 mg·(g·h)?1。

  图3 厌氧阶段碳源转化与释磷情况

  此外,碳源转化利用过程中,河南污水处理,释磷速率出现明显的分界(阶段a和阶段b),PO43?-P浓度从初始时刻的0.07 mg·L?1快速上升,45 min时增大到34.13 mg·L?1;在随后的45~90 min内,PO43?-P浓度增加缓慢,增幅仅为6.75 mg·L?1。2个阶段PRR分别为15.14 mg·(g·h)?1和3.0 mg·(g·h)?1,与图3中内碳源PHAs(ΔPHAs=57.26、23.04 mg·g?1)和GLY(ΔGLY=24.61、14.24 mg·g?1)的变化利用规律相吻合。阶段a中PHAs合成量是阶段b的2.49倍,表明厌氧45 min后虽然COD浓度一直在降,河南污水处理,但是内碳源的转化效率已经不高。内碳源转化和释磷情况均表明,厌氧90 min已实现最优的处理效果。WANG等在A2N-SBR中同样发现厌氧反应时间90 min时,系统合成的PHAs含量最高,氮磷去除率分别达到91%,94%;并且当厌氧反应时间延长,PHAs含量的降低导致缺氧段PHAs分解效率下降,出现游离亚硝酸积累,脱氮除磷效果变差。

  2.3 缺氧反硝化除磷特性

  2.3.1 不同NO3?-N浓度下的脱氮除磷特性

  在图4中,当NO3?-N浓度为10 mg·L?1和20 mg·L?1时,NO3?-N在45~60 min内反应完全,且整个过程NO2?-N积累很微弱(0.05~0.2 mg·L?1),基本可以忽略不计;但由于电子受体不足导致吸磷受限,到60 min时,PO43?-P浓度分别残留23.98 mg·L?1和15.14 mg·L?1,后续反应过程都出现不同程度的2次释磷现象(如图4(c)箭头所示)。

  NO3?-N浓度增加到30 mg·L?1,反应时间120 min时NO3?-N和PO43?-P浓度为1.09 mg·L、0.25 mg·L?1,去除率分别为96.37%和99.39%,实现了同步高效脱氮除磷。当NO3?-N增加到40 mg·L?1,电子受体有部分剩余,反应结束时NO3?-N仍残留3.09 mg·L?1,但PO43?-P在反应时间105 min时已完全去除,氮磷去除率分别为92.28%和100%。此外,上述2种工况在前60 min均出现不同程度的NO2?-N积累,最高可达到3.12 mg·L?1和4.26 mg·L?1,但在后续反应NO2?-N被逐步反硝化,且除磷效果基本不受影响。

  而当NO3?-N浓度增加到50 mg·L?1时,整个反应过程伴随着明显的NO2?-N积累,到90 min时,NO2?-N浓度高达6.5 mg·L?1且后续略有上升趋势(如图4(b)箭头所示)。河南污水处理,ZHOU等和JABARI等均发现,NO2?-N的存在会抑制DPAOs的生物活性且限制同步脱氮除磷效率,到反应结束时NO3?-N和PO43?-P浓度分别为23.38 mg·L?1和9.05 mg·L?1,去除率仅为53.24%和77.86%。

  图4 NO3?-N浓度对脱氮除磷效果的影响

  单从脱氮除磷效率看,在本研究条件下(取自A2/O-MBBR系统的反硝化除磷污泥,DPAOs占PAOs比例约为65%),以NO3?-N为电子受体进行反硝化除磷时,当NO3?-N投加量为30 mg·L?1时较为合适,与傅金祥等[17]的研究结论相同,即硝酸盐型反硝化除磷过程最佳电子受体投加量为30 mg·L?1时,DPAOs能最大程度地利用NO3?-N进行同步脱氮除磷。

  2.3.2 不同NO3?-N浓度下的内碳源转化利用特性

  为了进一步考察不同NO3?-N浓度条件下的反硝化除磷特性,图5对比了内碳源PHAs和GLY的转化利用情况(其中缺氧初始时刻PHAs、GLY的含量分别为132.4~134.5 mg·g?1和116.2~118.36 mg·g?1 )。当NO3?-N浓度为10 mg·L?1和20 mg·L?1时,前阶段NO3?-N的快速反应伴随着PHAs的消耗和GLY的合成,反应60 min时GLY含量分别为134.80 mg·g?1和138.41 mg·g?1,PHAs含量分别为89.15 mg·g?1和65.30 mg·g?1,且PHAs在后续反应中基本保持不变;但60 min后,虽然NO3?-N消耗完全,GLY却存在降解的趋势,2种工况ΔGLY分别为25.06 mg·g?1和17.8 mg·g?1 (见图5)。BASSIN等认为当电子供体或电子受体消耗殆尽时,河南污水处理,微生物会由于处于饥饿状态而出现GLY降解的现象,长期运行对DPAOs的生长富集是不利的。

  图5 NO3?-N浓度对PHAs和GLY转化利用特性的影响

  当NO3?-N浓度为30 mg·L?1和40 mg·L?1时,整个反应过程PHAs和GLY此消彼长,PHAs的减少量分别为114.92 mg·g?1和110.77 mg·g?1,GLY的增加量分别为55.98 mg·g?1和69.16 mg·g?1。由于微生物体内需保持一定量的PHAs来维持自身的生命活动,反应结束120 min时,PHAs的含量为18.48~20.73 mg·g?1,PHAs利用率为84.6%~86.2%。研究表明改良UCT分段进水工艺中出水PHAs含量为0.8~1.1 mmol·L?1(相当于13~19 mg·g?1)时,系统展现出较好的反硝化除磷性能。

  当NO3?-N浓度增加到50 mg·L?1时,NO3?-N负荷的增加以及NO2?-N积累(见图4(b))导致DPAOs生物活性下降,同样限制了内碳源转化利用效率,反应结束时出水中PHAs仍残留42.10 mg·g?1,PHAs利用率仅为68.4%,造成内碳源的浪费,该结果与2.3.1中脱氮除磷效率的下降相吻合。河南污水处理,综合脱氮除磷效果以及内碳源转化效率,在本研究的特定条件下,当NO3?-N浓度为30~40 mg·L?1时较为适宜。

  2.4 反硝化除磷的动力学分析

  结合式(1)~式(7),表3对比了厌氧阶段以及缺氧阶段不同NO3?-N浓度下的反硝化除磷动力学参数。厌氧释磷过程较高的CUR促进了磷酸盐的快速分解,PRR最高达15.14 mg·(g·h)?1,不同NO3?-N浓度下缺氧吸磷过程PUR为4.32~8.18 mg·(g·h)?1,电子受体不足(NO3?-N浓度为10~20 mg·L?1)或电子受体过剩(NO3?-N浓度为50 mg·L?1)均不利于吸磷反应的进行。PENG等[3]考察了A2/O分段进水和UCT工艺的反硝化除磷特性,2种工艺中PRR和PUR分别为4.44 mg·(g·h)?1、1.33 mg·(g·h)?1和7.91 mg·(g·h)?1、3.19 mg·(g·h)?1。对比结果表明,A2/O-MBBR系统的污泥体现了优越的反硝化除磷性能,意味着双污泥系统中DPAOs具有较高的生物活性。

  

表3 不同运行工况下的反硝化除磷动力学参数

    缺氧阶段NO3?-N浓度与反硝化除磷特性密切相关,DNR一定程度上反映了DPAOs的反硝化潜力。当NO3?-N浓度为30 mg·L?1和40 mg·L?1时,DNR达到了最高值5.72~6.08 mg·(g·h)?1,而NO3?-N浓度为10 mg·L?1时,DNR仅为1.81 mg·(g·h)?1,但该结果依然高于某PAOs富集的生物膜系统(DNR=1.45 mg·(g·h)?1)[21]。除此之外,NO3?-N/PO43?-P比值与NO3?-N负荷也呈现相关性,间接反映了DPAOs的反硝化除磷潜力。反硝化除磷过程平均吸取1 mg PO43?-P 可去除0.42~0.75 mg NO3?-N,高于完全混合式SNDPR系统(0.33 mg NO3?-N)以及悬浮污泥和生物膜共存的IFAS系统(0.41~0.72 mg NO3?-N)。双污泥系统中DPAOs和硝化菌的分离、富集,是提高反硝化除磷性能的主要原因,上述分析进一步验证了A2/O-MBBR系统在处理低C/N比污水方面的优越性。

  3 结论

  1)乙酸钠投加量200 mg·L?1,厌氧反应时间90 min时释磷完全,PO43?-P浓度最高可达40.88 mg·L?1,PHAs合成量为133.40 mg·g?1,比耗碳速率为36.91 mg·(g·h)?1;缺氧反应时间120 min时,可获得最佳的同步脱氮除磷效果。

  2)厌氧释磷速率在45 min时出现明显的分界,2个阶段的释磷速率分别为15.14 mg·(g·h)?1和3.0 mg·(g·h)?1,前者PHAs合成量是后者的2.49倍。

  3)在本研究条件下,缺氧段NO3?-N浓度为30 mg·L?1时,可实现同步高效脱氮除磷,氮磷去除率分别为96.37%和99.39%。NO3?-N浓度增加到40 mg·L?1时,PHAs利用率从84.6%上升为86.2%且除磷效果不受影响,得出NO3?-N的最佳投加量为30~40 mg·L?1。

  4)反硝化除磷过程最高PUR为8.16~8.18 mg·(g·h)?1,河南污水处理,DNR高达5.72~6.08 mg·(g·h)?1,吸取1 mg PO43?-P 可去除0.42~0.75 mg NO3?-N,处理性能优于传统反硝化除磷工艺,揭示了A2/O-MBBR系统中DPAOs较高的生物活性。(来源:环境工程学报 编辑:张淼)


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